武漢大學課題組2025年4月在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》期刊發(fā)表了題為“Monotonic triaxial testing and hypoplastic modelling of calcareous sand: A focus on particle breakage and initial relative density”(鈣質砂的單調三軸試驗與低塑性建模顆粒破碎與初始相對密度的耦合效應)基于廣義剪應變的各向異性固結飽和砂土超靜孔壓發(fā)展模型”的學術論文。本研究采用GDS自動三軸儀試驗系統(tǒng),開展單調三軸與亞塑性建模,聚焦顆粒破碎與初始相對密度對鈣質砂應力-應變-臨界狀態(tài)的耦合影響,提出統(tǒng)一破碎演化方程,構建可預測級配、強度與變形的新型亞塑性模型,為島礁與離岸工程填筑體抗震變形分析提供本構基礎。
https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2025.04.018
*論文版權歸原作者和出版方所有,本文僅為學習交流。
以下是對這項成果的簡要介紹:
論文摘要
鈣質砂的應力–應變特性受顆粒破碎(B)與初始相對密度(Dri)顯著影響,但現(xiàn)有本構模型極少同時考慮二者的耦合作用。為填補這一空白,本文針對不同Dri和應力路徑的鈣質砂開展系列三軸試驗,系統(tǒng)研究顆粒破碎與臨界狀態(tài)行為。
主要發(fā)現(xiàn)如下:(1)當應力比(η)恒定時,B隨平均有效應力(p')呈雙曲線關系;給定p'下,B隨η線性增大;(2)臨界狀態(tài)線(CSL)隨Dri增大而下移,而臨界狀態(tài)摩擦角(φcs)隨B增大而減小?;谏鲜鼋Y果,提出統(tǒng)一的顆粒破碎演化模型,用以量化不同加載條件下鈣質砂的破碎程度。將該模型與正常固結線(NCL)及CSL方程耦合,成功再現(xiàn)隨B增大、NCL與CSL斜率增大的現(xiàn)象,并定量評估B對φcs的影響。最后,在臨界狀態(tài)土力學與亞塑性理論框架內,建立了同時引入B與Dri的亞塑性模型;該模型在不同初始相對密度、應力路徑及排水條件下的模擬結果與試驗數(shù)據高度吻合,驗證了其可靠性。
試驗設備
本研究使用了GDS自動三軸儀GDSTAS等設備。
實驗方法及相關圖表
*圖表為論文截圖,版權歸論文原作者和出版方所有,本文僅為學習交流。
Fig. 1. Physical properties of calcareous sand: (a) SEM image; and (b) Grain size distribution (GSD) curve of calcareous sand.
Fig. 2. Test schematic and apparatus: (a) Test schematic; and (b) GDS triaxial automated system.
Fig. 3. Effect of initial densities on the triaxial test results of calcareous sand: (a-b) CTC test, pc=200 kPa; (c-d) TC test, pc=200 kPa; (e-f) RTC test, pc=200 kPa; (g-h) CU test, pc=200 kPa; (i-j) CTC test, pc=800 kPa; (k-l) TC test, pc=800 kPa; (m-n) RTC test, pc=800 kPa; and (o-p) CU test, pc=800 kPa
Fig. 4. Variation in GSD curves of calcareous sand and relationship between B with p′ and η: (a-b) Effect of Dri; (c-d) Effect of pc; and (e-f) Effect of loading path.
Fig. 5. Relationship between B with p' and η: (a) B- log10 p' relation; and (b) Determination of ω0 and kω (Solid colourful lines represent simulation results by Eq. (8))
Fig. 6. Stress ratio of calcareous sand sheared to maximum axial strain: (a) CTC test; (b) TC test; (c) RTC test; and (d) CU test.
Fig. 7. Comparison of B-p' relations with different test results: (a) Dogs Bay sand; (b) Angular granite (PL: Proportional loading); and (c) Decomposed granite.
Fig. 8. Predicted and measured NCLs of calcareous sand with various initial densities. (a) Predicted versus experimental test results; (b) Influence of kDr (Eq. (36)); and (c) Influence of kB (Eq. (36)).
Fig. 9. Predicted and measured CSLs of calcareous sand with various initial densities: (a) Dri=0.1; (b) Dri =0.3; (c) Dri =0.6; and (d) Dri =0.9.
Fig. 10. Schematic of the effect of particle breakage on the location of CSL in e-log10p' plane
Fig. 11. Influence of parameter χ and β on predicted results: (a) Effect of χ (Eq. (44)); and (b) Effect of β (Eq. (44)).
Fig. 12. Relationship between critical friction angle φcs with particle breakage B of calcareous sand: (a) Experimental data; and (b) Effect of χB on predicted Mcs (Eq. (48)).
Fig. 13. Influence of breakage evolution parameters on model prediction results in drained triaxial test: (a-b) Effect of ω0; (c-d) Effect of kω; and (e-f) Effect of pB.
Fig. 14. Influence of initial density effect parameters on model prediction results in drained triaxial test: (a-b) Effect of Dri; (c-d) Effect of kDr; and (e-f) Effect of χ.
Fig. 15. Influence of breakage effect parameters on model prediction results in drained triaxial test: (a-b) Effect of kB; (c-d) Effect of β; and (e-f) Effect of χB.
Fig. 16. Comparison between model predictions with CTC tests results of calcareous sand at different Dri: (a-b) Dri =0.1; (c-d) Dri =0.3; (e-f) Dri =0.6; and (g-h) Dri =0.9.
Fig. 17. Comparison between model predictions with CU tests results of calcareous sand at different Dri: (a-b) Dri =0.1; (c-d) Dri =0.3; (e-f) Dri =0.6; and (g-h) Dri =0.9.
Fig. 18. Comparison between model predictions with TC tests results of calcareous sand at different Dri: (a-b) Dri =0.1; (c-d) Dri =0.3; (e-f) Dri =0.6; and (g-h) Dri =0.9.
Fig. 19. Comparison between model predictions with RTC tests results of calcareous sand at different Dri: (a-b) Dri =0.1; (c-d) Dri =0.3; (e-f) Dri =0.6; and (g-h) Dri =0.9.
Fig. 20. Comparison of the predicted and measured values of B
Fig. 21. Change in GSD of calcareous sand with Dri=0.1:(a-b) CTC test; (c-d) TC test; (e-f) RTC test; and (g-h) CU test.
Fig. 22 Comparison between model predictions with drained triaxial tests results of Silica sand at different Dri: (a-b) Dri =0.30; (c-d) Dri =0.60; and (e-f) Dri=0.90.
研究結論
現(xiàn)有本構模型未能充分考慮顆粒破碎(B)與初始相對密度(Dri)對鈣質砂的耦合影響。為此,本文開展了系列三軸壓縮試驗,涵蓋不同Dri、應力路徑與排水條件。基于試驗結果,提出了新的破碎演化模型,并修正了正常固結線(NCL)與臨界狀態(tài)線(CSL)方程,以同時納入B與Dri的聯(lián)合作用。隨后,將這些公式嵌入亞塑性框架,建立了改進的亞塑性本構模型。主要結論如下:
(1)三軸試驗表明,B與Dri對強度與變形具有顯著且相互依賴的影響。低圍壓下B較小,Dri起主導作用;隨圍壓增大,B增加,Dri的影響減弱。
(2)顆粒破碎主要受應力比η與平均有效應力p′控制。η恒定時,B隨p′增大而升高;p′恒定時,B與η成正比。提出的雙曲線破碎演化模型僅需3個易標定參數(shù),即可描述不同應力路徑、Dri與圍壓下的破碎行為。
(3)新NCL與CSL方程可準確反映隨B增大而陡化、隨Dri增大而下移的規(guī)律;臨界狀態(tài)摩擦角φcs隨B線性降低。
(4)將破碎演化模型與修正NCL、CSL方程融入亞塑性框架,建立了可同時考慮顆粒破碎與初始密度的擴展亞塑性模型,可精確預測級配演化、強度與變形。
盡管模型預測性能良好,但驗證僅限于等向固結與單調加載。實際島礁與離岸工程常面臨各向異性應力與風浪循環(huán)荷載,后續(xù)研究將拓展模型至這些復雜工況,提升其工程適用性。
備注:論文摘要及結論等為論文原文的中文譯文,僅供快速參考;若遇語義或技術細節(jié)歧義,請以英文原文為準。完整研究內容、參數(shù)取值及驗證數(shù)據請查閱原文。
自動三軸試驗系統(tǒng)GDSTAS
GDS自動三軸試驗系統(tǒng)(GDSTAS)是壓力架型的三軸試驗系統(tǒng)。這套系統(tǒng)由荷載架、三軸壓力室、壓力體積控制器和軟件模塊組成,可以配置成一套商業(yè)型的性價比高的從土到巖石的設備。如果現(xiàn)有的系統(tǒng)需要升級,那么GDSTAS的組件可以與現(xiàn)有的系統(tǒng)兼容用于系統(tǒng)升級(包括其他廠商生產的設備)。
可完成的試驗
B檢測、不固結不排水(UU)三軸試驗、固結排水(CD)三軸試驗、固結不排水(CU)試驗、固結(三軸)試驗、恒應力率加載(CRL)試驗、恒應變速率(CRS) 試驗、低速循環(huán)試驗、K0試驗、多級加載試驗、準靜態(tài) (低速/蠕變) 試驗和應力路徑試驗。
主要特點 | 優(yōu)點 |
每套系統(tǒng)可根據客戶的要求和預算配置 | 用戶可以選擇荷載架、壓力體積控制器、三軸壓力室或者將部分配件集成到現(xiàn)有設備已達到理想的GDSTAS配置要求 |
全自動軟件控制 | 軟件直接控制圍壓、反壓和試驗速率,并管理所有采集的數(shù)據。全自動的控制可以使試驗持續(xù)進行并提高試驗效率 |
可以更換不同量程的荷重傳感器 | 用戶可以根據自己試驗需要在GDSTAS上更換相應的荷重傳感器 |
水下荷重傳感器作為標準配置 | 密封圈的摩擦不會影響軸向力的讀數(shù) |
可選的標準配置 | GDSTAS系統(tǒng)有一系列的標準配置可選,配置是基于系統(tǒng)運行的壓力,見下面的系統(tǒng)技術參數(shù) |
與其他設備兼容 | 可以與現(xiàn)有的GDS設備兼容,組成新的系統(tǒng),節(jié)省開支 |
升級為高壓溫控三軸儀
可進行高量程特殊尺寸、特殊溫度試驗,例如可燃冰需要實現(xiàn)的低溫(-20~65°)高壓(10~32MPa)環(huán)境下的試驗,凍土試驗(溫度-30~65°,軸向力大于25kN)。
升級為大直徑三軸儀
用于公路路基材料、大顆粒材料力學試驗,直徑100mm~300mm。
升級為準動態(tài)三軸儀
以極低的成本升級用于進行0.1Hz的動態(tài)試驗。
升級進行CRS固結試驗
增加低壓或高壓固結壓力室,即可升級為恒應變速率固結系統(tǒng)。也可在此基礎上,再次升級進行可燃冰的CRS固結試驗。
可升級非飽和土溫控試驗
添加非飽和土溫控壓力室,以及溫控水浴,即可進行相關試驗。
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